基于SPH的超音速火焰噴涂WC-12Co粒子速度對其沉積行為的影響

曹曉恬，查柏林，周偉，王金金，賈旭東，范珂華

基于SPH的超音速火焰噴涂WC-12Co粒子速度對其沉積行為的影響

曹曉恬1，查柏林2，周偉1，王金金1，賈旭東1，范珂華1

（1.火箭軍工程大學，西安 710025；2.火箭軍裝備部裝備項目管理中心，北京 100085）

以超音速火焰噴涂過程為基礎(chǔ)，探究粒子撞擊速度對粒子在基體上沉積行為的影響。應用SPH方法，模擬分析WC-12Co粒子速度在400～800 m/s內(nèi)，單個粒子在相同基體上的沉積行為。粒子撞擊速度與粒子扁平率、粒子基體結(jié)合面積、結(jié)合方式等有密切關(guān)系。隨著粒子撞擊速度的增加，基坑深度持續(xù)增大至最小深度的4.6倍，金屬射流對提高粒子扁平化程度及粒子與基體的有效結(jié)合面積起到促進作用，總接觸面積最大可達到原有效接觸面積的2.7倍。撞擊速度的提升使得有效塑性應變及應變區(qū)域增加，形變區(qū)域增大。同時，結(jié)合面溫升總體增加，增強了粒子與基體的結(jié)合條件。沉積過程存在能量耗散，初始能量的提高有利于粒子與基體總能量的增加，強化了壓實效應，進一步促進粒子與基體的結(jié)合。在數(shù)值模擬選取的范圍內(nèi)，超音速火焰噴涂WC-12Co粒子的撞擊速度越高，粒子與基體的結(jié)合狀態(tài)越好。

HVOF；SPH方法；結(jié)合界面；撞擊速度；粒子扁平率；溫變

熱噴涂涂層由大量單粒子通過加熱加速后撞擊基體堆垛而成，撞擊時粒子狀態(tài)對于涂層結(jié)合具有重要的影響。在涂層堆垛初期，噴涂粒子直接撞擊基體，該過程直接決定了基體與涂層的結(jié)合強度。由于粒子形變狀態(tài)通常對于孔隙率及結(jié)合強度等有重要影響[1]，而粒子形變過程與粒子撞擊時的速度、溫度和粒子內(nèi)部各相的含量密切相關(guān)，相的含量又和溫度分布有關(guān)，當溫度一定時，撞擊速度便成為最重要的因素[2-4]。因此，在一定范圍內(nèi)提高粒子的初始速度可提高粒子的沉積效率，增大粒子與基體的接觸面積，進而提升涂層的結(jié)合強度。

在超音速火焰噴涂（High Velocity Oxy-fuel，HVOF）過程中，粒子一般在幾十納秒內(nèi)就完成了沉積過程[5]。由于時間極短，很難通過試驗觀測到沉積的微觀過程，而粒子與基體接觸的第一層對后續(xù)形成的涂層的性能至關(guān)重要，因此對沉積過程進行微觀模擬對于研究涂層與基體的結(jié)合起到重要作用。

對于高速碰撞問題，常見的數(shù)值模擬方法為有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）和光滑粒子流體動力學（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）方法。國內(nèi)外學者[6-10]對于FEM法的應用研究較多，研究結(jié)果表明，該方法能夠解決外圍無大畸變的多數(shù)問題，內(nèi)部節(jié)點對于應力應變的傳遞性較好。對于SPH方法，趙錚等[11]應用該方法分析了爆炸壓實過程中的顆粒碰撞問題。侯根良等[12]對低溫超音速噴涂中團聚金屬粒子的沉積行為進行了研究。Yin等[13]和Li等[14]對FEM和SPH方法在多粒子撞擊中的粒子行為進行了對比，結(jié)果表明，SPH方法用離散粒子更適用于模擬多過程沖擊以及撞擊邊緣處產(chǎn)生大形變的情況。現(xiàn)階段超音速火焰噴涂過程中，粒子沉積行為分析多用FEM方法，而對更適用于邊緣大形變的SPH方法研究較少。本文將立足超音速火焰噴涂過程粒子沉積行為中的速度因素，應用SPH方法分析沉積過程中粒子與基體的相互作用，對粒子在基體表面的鋪展情況以及與基體結(jié)合面積等方面進行研究，探索超音速火焰噴涂WC-12Co粒子的撞擊速度對粒子在基體上沉積行為的影響。

1 計算模型

1.1 SPH方法

插值理論為SPH的基本理論，在連續(xù)介質(zhì)流體動力學基礎(chǔ)上，通過對光滑樣條曲線計算域內(nèi)核函數(shù)確切質(zhì)點位置(?)的插值計算逐步逼近得到[13,15]。質(zhì)點的近似函數(shù)見式（1）。

式中：為核函數(shù)；－?為質(zhì)點偏移量；為樣條曲線的光滑長度，其隨時間和空間變化。

對核函數(shù)進行積分，對得到樣條曲線的光滑長度進行歸一化處理，并對核函數(shù)求極限，以減少粒子間相互作用的影響，以及提高算法的有效性，見式（2）、（3）。

在維空間里，最常用的是三階B樣條曲線作為內(nèi)核功能。定義作為質(zhì)點與偏移后質(zhì)點的相對距離，則：

B樣條曲線定義為：

式中：歸一化因子()={3/2,7/10π,π,31/10π, 31/5π2}，其中={1,???,5}。

SPH中，流體運動的動量方程見式（6）。

式中：aaaa與bbbb分別為粒子a、b的壓力、黏度、密度和速度；b為粒子b的質(zhì)量；ab為粒子b到粒子a的位置向量，aba－b；核函數(shù)ab為光滑長度對于距離|ab|的值，ab=(ab,)；aba－b；為黏度系數(shù)；用于消除奇異陣ab=0；為重力加速度。

WC-12Co粉末的微觀結(jié)構(gòu)如圖1a所示，粉末粒度分布如圖1b所示?？梢钥闯?，在測試范圍內(nèi)，WC- 12Co粉末粒子0.5（粉末粒徑均值）為30 μm，因此粒子模型以該數(shù)值作為粒子直徑進行數(shù)值計算。WC-12Co粒子的初始撞擊速度p設(shè)置為在400～800 m/s[16]內(nèi)以50 m/s遞增，作為沉積初始速度變量。在不同的撞擊速度下，粒子質(zhì)心位移達到最大值的時間有所不同。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得到，隨著撞擊速度的增加，粒子總位移達到最大值的時間隨之縮短。因此，根據(jù)在碰撞速度400 m/s時粒子終止時刻總體動能趨近于0的時刻點，求解終止時刻設(shè)置為60 ns。單粒子撞擊基體的三維模型如圖2所示。

圖1 粉末形貌與粒度分布

圖2 用SPH方法建立的單粒子與基體三維模型

應用超音速火焰噴涂噴涂粒子時，由于整個沉積過程時間極短，只有幾十納秒，在此過程中粒子與基體絕大部分（90%左右）塑性功轉(zhuǎn)化為熱能，并且來不及耗散，因此可認為在此高應變速率下的變形過程為絕熱過程[6,17]。為了分析和計算的便捷性，現(xiàn)提出如下假設(shè)[18]：粉末粒子為理想球體，WC相和Co相均勻混合，球體密度均一；粒子內(nèi)各部分的熔化狀態(tài)互不影響；粒子內(nèi)部不存在對流換熱；粒子物性參數(shù)不隨溫度變化，且各向同性；粒子在焰流中受熱均勻。暫不考慮基體表面粗糙度、焰流對于基體溫變影響等因素。

1.2 材料模型

對于材料計算模型，選用Johnson-Cook彈塑性模型，該模型考慮了應變和應變率強化，同時也加入了溫變對材料變形行為的影響，應力可根據(jù)Von- Mises塑性模型表示。該材料模型的屈服應力Y可由式（7）本構(gòu)方程得到[19-20]。

式中：m為熔化溫度；0為基準溫度。線性的Mie-Grunisen狀態(tài)方程（EOS）能夠較好表達材料的彈性行為，因此采用Johnson-Cook彈塑性模型和EOS狀態(tài)方程相結(jié)合的方式，能夠較為準確地說明粒子在基體表面的沉積行為。由文獻[21]可知，為得到較高結(jié)合強度的涂層，基體初始溫度設(shè)置為500 K，粒子初始溫度設(shè)為1 200 K。粒子與基體材料屬性見表1。

表1 粒子與基體材料屬性

Tab.1 Material properties of particle and substrate used in simulation

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)合形貌分析

在粒子與基體碰撞過程中，粒子在高速撞擊下對基體局部產(chǎn)生壓應力，當壓應力超過基體屈服強度時，基體發(fā)生變形，粒子開始與基體進行結(jié)合。由圖3a可以看出，隨著粒子撞擊速度的增加，粒子沿速度的反方向部分由最初的基本維持半球狀逐步趨于扁平，基體坑深也逐漸增加至最小深度的4.6倍（如圖3b所示），粒子扁平率可由式（9）表示。

式中：為粒子扁平后的直徑；p為粒子原始直徑。

隨著撞擊速度提高到550 m/s，初始動能和粒子與基體間的應力變大，粒子形變增加，由低速下沿速度法向鋪展，開始變?yōu)橄蛩俣确聪蚵N曲。由于粒子與基體高速碰撞，當有效塑性應變達到一定值后，產(chǎn)生突變，接觸面在力的作用下產(chǎn)生大的形變，即發(fā)生絕熱剪切失穩(wěn)。粒子在撞擊過程中與基體產(chǎn)生金屬射流，這與試驗結(jié)果[6]一致。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，金屬射流隨撞擊速度的增加而越發(fā)明顯，粒子邊緣在大的應力作用下開始出現(xiàn)少量金屬射流，使得扁平粒子邊緣出現(xiàn)質(zhì)量耗散，粒子沿速度法向的扁平率下降。隨著撞擊速度進一步提高，粒子鋪展速度大于射流耗散速度，粒子扁平化程度提升。當粒子速度超過650 m/s時，粒子邊緣由于金屬射流耗散加劇，粒子扁平率再次下降。當粒子以800 m/s的速度撞擊基體時，由于速度瞬間變大，粒子動能更快速地轉(zhuǎn)變?yōu)榱Ｗ优c基體產(chǎn)生塑性變形的熱能，并在結(jié)合處產(chǎn)生黏性流動，而粒子未與基體接觸部分產(chǎn)生應變速率強化效應。本部分與基體距離最遠端基本不發(fā)生形變，但粒子由于初始動能作用繼續(xù)向基體運動，導致基坑深度繼續(xù)增加，粒子底部位移達到最大時刻[22]基體塑性變形停止，進而結(jié)合面處基體溫度逐漸下降到基體材料熔點以下，表面處黏性流動停止。同時，雖然粒子在黏結(jié)相Co的作用下大部分團聚在一起，但在高速沖擊下，基體被撞擊部分由于應變速率強化效應而限制了粒子的鋪展面積。粒子鋪展開的部分由于在運動方向上高度的減小，同時粒子內(nèi)各質(zhì)點的速度很高，粒子內(nèi)松散狀態(tài)使在高速碰撞中粒子內(nèi)各質(zhì)點產(chǎn)生的應力出現(xiàn)方向雜化[12]，粒子出現(xiàn)范圍更大的破碎飛濺現(xiàn)象，此時的扁平程度反而增大。

粒子與基體接觸面積隨撞擊速度的變化情況如圖4所示。定義粒子與基體結(jié)合面積（包括二者金屬射流接觸面積）為總結(jié)合面積，其中除去金屬射流的部分為有效結(jié)合面積。粒子與基體總結(jié)合面積隨撞擊速度的增加總體呈增大趨勢，有效結(jié)合面積在p=600 m/s之后顯著增加，說明撞擊速度增加對于粒子與基體的有效結(jié)合起到促進作用。由于p=650 m/s時粒子的扁平化程度相對較高，而金屬射流程度不如其他速度下的射流程度大，因此總結(jié)合面積相對減小。金屬射流在一定程度上增加了粒子與基體的總結(jié)合面積，在該數(shù)值計算范圍內(nèi)，總結(jié)合面積最大可達到有效結(jié)合面積的2.7倍。在涂層制備過程中，由于后續(xù)粒子對已沉積粒子的撞擊作用以及焰流的沖擊，金屬射流接觸面在基體上得到了二次壓實，進一步增加了粒子與基體的有效結(jié)合面積。

由此可知，基坑深度隨粒子撞擊速度的增加而增大到低速時的4.6倍，總結(jié)合面積最大可達到有效結(jié)合面積的2.7倍。同時，沉積過程產(chǎn)生的金屬射流對于提高粒子的扁平化程度及粒子與基體的有效結(jié)合面積起到促進作用。

圖3 計算終止時刻不同撞擊速度對粒子扁平形貌、扁平率和基坑深度的影響

圖4 粒子撞擊速度對粒子與基體總接觸面積和有效接觸面以及射流部分接觸面積的影響

2.2 有效塑性應變

通過分析有效塑性應變可以更直觀地研究粒子撞擊速度的變化對于結(jié)合面的影響，以下將通過有效塑形應變進行分析。在計算時間60 ns內(nèi)，不同撞擊速度下，粒子在基體上沉積的有效塑形應變?nèi)鐖D5所示。

圖5 不同撞擊速度下粒子有效塑性應變隨時間的變化曲線

由圖5可以看出，從碰撞瞬間開始，隨時間推移，不同撞擊速度下粒子的有效塑性應變均增大，且隨著撞擊速度的增大，粒子有效塑性應變也基本呈增大趨勢。隨著時間的增加，粒子有效塑性應變的增速呈由快及慢再變快的趨勢。這是由于從接觸碰撞開始，粒子在垂直撞擊基體的過程中，粒子表面在速度方向上的點最先接觸基體表面，壓應力集中在接觸點，此時壓應力遠大于軟化粒子與基體的動態(tài)屈服強度，致使粒子與基體開始發(fā)生塑性應變。在由初始動能產(chǎn)生的慣性作用下，粒子整體繼續(xù)向基體運動，接觸區(qū)域在塑性應變過程中逐漸向接觸點周圍發(fā)展，粒子對基體產(chǎn)生的壓應力不再單純存在于速度方向，而增加了斜向基體方向的壓應力，接觸方式由最初的點面接觸變?yōu)槊婷娼佑|，且接觸面積急劇增加。隨著時間的推移，結(jié)合面部分發(fā)生凝固，以及在應變強化的作用下，使粒子鋪展范圍受限，粒子有效塑性應變速率減緩，而粒子未與基體接觸的部分仍具有較高動能，且總體運動方向仍垂直于基體表面，粒子形變則在后續(xù)時間內(nèi)進一步增加。撞擊速度為400 m/s時，在整個沉積過程中，粒子的有效塑性應變相對最小。這是由于粒子初始動能較小時，粒子的沉積過程相對較長，沉積時間內(nèi)動能能夠較均勻地被基體吸收，結(jié)合界面處的應力使粒子發(fā)生較小程度的塑性應變，粒子表現(xiàn)出的應變率和應變量都相應地比高速時要小。隨著速度增加到600 m/s，有效塑性應變呈逐漸變大的趨勢。隨著撞擊速度從650 m/s提高到800 m/s，應變曲線高度反而下降。這是由于扁平粒子邊緣各質(zhì)點在高速作用下出現(xiàn)應力方向雜化，致使粒子對基體的壓應力的反作用力減小，因此隨著速度從650 m/s繼續(xù)增大，粒子的有效塑性應變反而相對減小。

通過以上對不同撞擊速度下粒子塑性應變的分析，選取撞擊速度為650、800 m/s，對不同時刻的有效塑性應變進行對比。31 ns時，撞擊速度為800 m/s的粒子在速度方向上位移達到最大，由此選取撞擊時間31 ns時刻和計算終止時間60 ns時刻進行觀測。在撞擊速度為650 m/s下31 ns時刻點和800 m/s下31、60 ns時刻點粒子與基體的有效塑性應變情況如圖6所示，各圖左側(cè)上下分別為粒子的正視圖與仰視圖，右側(cè)上下分別為基體的正視圖與俯視圖，粒子仰視圖和基體俯視圖可以更方便看清二者在結(jié)合面處的狀態(tài)。

由圖6a、b可知，在撞擊31 ns時刻，相較撞擊速度600 m/s，800 m/s時粒子的有效塑性應變更大。圖6中1、2、3分別為有效塑性應變最大值組成的圓環(huán)直徑，明顯看出1<2<3，即最大值范圍外擴，而基體有效塑性應變較小。這是由于在粒子撞擊過程中，初始動能較大，粒子中難熔陶瓷相WC撞擊基體時產(chǎn)生更大的壓應力使得噴丸效應增強[23]，基體坑深增大。在相同時間內(nèi)，粒子初始動能越大，基體局部受到的壓應力越大，由于相伴產(chǎn)生的應變強化隨塑性應變增大而增加，應變速率強化效應隨應變速率的增大而增大。沉積過程中，粒子撞擊速度越大，基體產(chǎn)生的應變強化和應變速率強化越大，使得基體大范圍形變受限，而使接觸的極窄區(qū)域產(chǎn)生較大形變，基體有效塑性應變整體相對低速時降低。隨著時間的推移，粒子底部位移雖達到最大，但粒子運動反方向部分仍保留部分動能。由于WC陶瓷顆粒的熔點可達3 143 K，粒子撞擊過程中WC固體顆粒仍不間斷地對基體產(chǎn)生噴丸效應，基體應變強化與應變速率強化仍繼續(xù)增大，通過分子間作用力的傳遞，基體塑性應變區(qū)域增加，如圖6b、c所示。由此，撞擊速度的提升使得有效塑性應變及應變區(qū)域增加，形變區(qū)域增大。

圖6 不同撞擊速度下粒子與基體不同時刻有效塑形應變對比

2.3 溫變分析

粒子沉積過程中，接觸溫度（粒子與基體接觸界面溫度）的高低直接影響二者的結(jié)合方式及結(jié)合強度，粒子本身的溫度變化決定了材料的凝固冷卻速度，反過來進而影響材料的晶體尺寸和物相[24]。粒子與基體溫度隨撞擊速度的變化曲線如圖7所示?？梢钥闯?，隨撞擊速度的增加，粒子與基體接觸面的平均溫度上升，且接觸面的最高溫度總體增大。粒子最高溫度在800 m/s時有所降低，是由于在計算結(jié)束時刻，粒子底部位移達到最大，粒子與基體之間的塑性流逐漸凝固，固體中溫度耗散加快?；w最高溫度在撞擊速度650 m/s時達到峰值，而后下降，最后在800 m/s時進一步上升。這是由于45#鋼的熱導率相對較高，熱量耗散較快，溫度下降，而后由于粒子的高速撞擊，基體在極短時間內(nèi)受到極大壓應力，以接觸界面為中心，窄形結(jié)合區(qū)域溫升瞬間變大，該區(qū)域溫升最劇烈，且短時間內(nèi)產(chǎn)生的熱能無法通過空氣耗散，則由極窄區(qū)域逐漸向周圍擴散，進而對粒子和基體進行加熱。在這期間，粒子與基體接觸部分局部軟化，溫度同時超過二者的熔點時，結(jié)合面局部熔化，并氧化形成氧化液膜。當應力大于液膜的表面張力時，液膜破碎，露出內(nèi)部軟化的新鮮金屬，熔化與壓應力加劇了二者間的擴散作用，溫升減小。同時，高溫使結(jié)合面產(chǎn)生化學反應，在高壓作用下，粒子與基體結(jié)合得更加充分。因此，隨撞擊速度的增加，結(jié)合面溫升總體增加，有利于粒子與基體的結(jié)合。

圖7 粒子與基體溫度隨撞擊速度變化曲線

2.4 能量轉(zhuǎn)化

在沉積過程中，粒子與基體內(nèi)能均增大，而動能逐漸降低，趨近于0，如圖8所示，說明此過程為粒子動能絕大部分轉(zhuǎn)化為粒子與基體內(nèi)能的過程。在該過程中，基體由于大的塑性應變而產(chǎn)生的熱應力使其內(nèi)能迅速增加，而應變速率強化作用使基體在高速沖擊下的內(nèi)能耗散速率加快，在達到峰值后回彈。

粒子初始動能（U）轉(zhuǎn)化為粒子內(nèi)能（Up）和基體內(nèi)能（Us），進而轉(zhuǎn)化為4種不同的能量，分別是塑性耗散能（P）、黏性耗散能（V）、摩擦生熱能（F）和彈性回復能（R），見式（10）。

EP、EV和EF對于粒子與基體結(jié)合起到促進作用，而ER則導致粒子發(fā)生反彈，不利于粒子與基體的結(jié)合。相比于EP，EV和EF所占比例很小，可以忽略二者對于粒子沉積的影響，因此整個沉積過程可以看作是粒子初始動能轉(zhuǎn)化為塑性耗散能的過程。塑性耗散能隨粒子塑性變形產(chǎn)生，最終粒子內(nèi)能便由初始溫度提供的熱能以及伴隨塑性應變轉(zhuǎn)化而來的熱能組成。在以不同初速度與基體接觸開始，粒子動能便向內(nèi)能轉(zhuǎn)化。由數(shù)值模擬結(jié)果可知，動能與內(nèi)能之比的最大值均出現(xiàn)在撞擊瞬間，其比值隨撞擊速度的增加而減小，說明撞擊速度越大，內(nèi)能轉(zhuǎn)化效率越高，如圖9所示。

圖9 粒子能量變化與撞擊速度的關(guān)系

粒子初始動能一部分轉(zhuǎn)化為彈性能，儲存在接觸面。當撞擊速度很小時，彈性能大于粘附力效應，使粒子發(fā)生反彈，并轉(zhuǎn)換為反彈動能。當撞擊速度大于沉積臨界速度時，塑性形變轉(zhuǎn)化為熱能，使結(jié)合面區(qū)域升溫，結(jié)合區(qū)域產(chǎn)生熱軟化。熱軟化使材料儲存彈性能的能力變?nèi)?，瞬間壓應力超過材料的屈服極限，粘附力效應大于接觸面的彈性能，并隨著持續(xù)增加的塑性應變不斷向熱能轉(zhuǎn)化，材料產(chǎn)生塑性流動。同時，高速碰撞使粒子與基體結(jié)合面部分質(zhì)點以金屬射流的形式飛出，從而帶走部分質(zhì)量與能量，總能量耗散隨撞擊速度的增大而增加。盡管如此，粒子與基體的總能量仍舊隨速度的增大而增大。由此可知，沉積過程確實存在能量耗散，但初始能量的提高仍有利于粒子與基體總能量的增加，促進壓實效應，增強粒子與基體的結(jié)合條件。

2.5 超工況條件模擬

一直以來，超音速火焰噴涂技術(shù)不斷提升設(shè)備的性能，以追求高的粒子速度，最終獲得更好的涂層性能。以上分析充分證明，在數(shù)值模擬選取的速度范圍內(nèi)，超音速火焰噴涂WC-12Co粒子的撞擊速度越高，粒子與基體的結(jié)合越好。數(shù)值模擬的優(yōu)勢在于可以突破試驗條件及現(xiàn)實研究進展的約束，因此對于更高速粒子對基體的撞擊過程進行了仿真模擬。超工況下粒子速度對粒子有效塑性應變與粒子基體有效結(jié)合面積的影響如圖10所示。

圖10 超工況下粒子速度對粒子有效塑性應變與粒子基體有效結(jié)合面積的影響

由圖10可以看出，相比于800 m/s時粒子與基體的狀態(tài)，隨著撞擊速度的提高，粒子鋪展后與基體的有效接觸面積隨即顯著增加，而粒子的有效塑性應變與高工況時相比無明顯變化。這是由于高速碰撞瞬間，接觸面應變速率強化效應明顯提升，對于粒子速度方向上的鋪展范圍有較大約束，在粒子動能減小的過程中，由高速碰撞產(chǎn)生的高壓與熱效應使接觸面軟化或熔化，粒子繼續(xù)沿速度方向深入基體。同時，基體在強大沖擊下產(chǎn)生的大面積金屬射流瞬間冷卻，在速度法向上對粒子的形變起到約束作用，粒子形貌由高工況中呈現(xiàn)的碟狀轉(zhuǎn)變?yōu)橥霠?，接觸面邊緣明顯隆起。由此可見，超工況下粒子與基體的結(jié)合更好。

在實際中，噴槍性能的大幅提升才可使粒子速度有極小幅度提高，而噴槍性能要實現(xiàn)突破很難?，F(xiàn)階段只有包括實驗室自主研發(fā)設(shè)備在內(nèi)的極少數(shù)設(shè)備能使WC-12Co粒子速度達到800 m/s，實現(xiàn)該速度已屬設(shè)備高性能狀態(tài)。在超工況條件下，粒子沉積環(huán)境更加復雜，現(xiàn)研究中也極少有關(guān)該部分的論述，后續(xù)將進一步研究。

3 結(jié)論

在除撞擊速度外，同一工況下對粒子在基體表面的沉積行為進行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：

1）沉積過程產(chǎn)生的金屬射流，對于提高粒子扁平化程度以及粒子與基體的有效結(jié)合面積起到促進作用。在撞擊速度大于650 m/s時，扁平粒子邊緣出現(xiàn)的金屬射流明顯增加。粒子與基體金屬射流接觸面積的增大，有助于進一步增大二者的結(jié)合面積。在該數(shù)值計算范圍內(nèi)，由于金屬射流的產(chǎn)生，總結(jié)合面積最大可達到原有效結(jié)合面積的2.7倍。

2）撞擊速度的提升使得有效塑性應變及應變區(qū)域增加，形變區(qū)域增大。

3）隨撞擊速度的增加，結(jié)合面溫升總體增加。從撞擊速度大于500 m/s開始，結(jié)合面達到冶金結(jié)合的條件，且結(jié)合面積增大，有助于粒子與基體的結(jié)合。

4）沉積過程存在能量耗散，但初始能量的提高仍有利于粒子與基體總能量的增加，促進壓實效應，促進粒子與基體的結(jié)合。

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Velocity of Particles on Deposition Behavior of WC-12Co Particles Sprayed by HVOF Based on SPH Method

1,21,1,1,1

(1. Rocket Force University of Engineering, Xi'an 710025, China; 2. Project Management Center, Beijing 100085, China)

Based on the HVOF process, this paper aims to investigate the effect of particles impact velocity on the deposition behavior of WC-12Co particles on the substrates. The deposition behavior of a single particle on the same substrate was simulated and analyzed using SPH method in the velocity range of 400～800 m/s. It is found that the particle impact velocity has a close relationship with the particle flattening rate, the bonding area, and the bonding method. With the increase of the impact velocity of the particles, the depth of the crater continuously increases to 4.6 times of the minimum depth. The metal jet promotes the improvement of the flattening degree of the particles and the effective bonding area between the particles and the substrates. The total contact area can reach 2.7 times of the original effective contact area at the maximum. With the increase of impact velocity, the effective plastic strain, strain area, and deformation area are increased. The temperature rise at that bonding surface increases, enhancing the bonding condition of the particles and the substrates. Energy dissipation exists in the deposition process. The increase of initial energy is beneficial to the increase of the total energy of particles and substrates, and strengthens the compaction effect and further promotes the combination of particles and substrates.

HVOF; SPH method; combined interface; impact velocity; flatting ratio of particles; temperature change

TG174.442

A

1001-3660(2022)06-0407-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.06.040

2021–07–04；

2021–09–10

2021-07-04；

2021-09-10

曹曉恬（1990—），女，碩士研究生，主要研究方向為超音速火焰噴涂技術(shù)研究。

CAO Xiao-tian (1990-), Female, Postgraduate, Research focus: high velocity oxy-fuel.

查柏林（1974—），男，博士，教授，主要研究方向為火箭發(fā)動機與材料表面改性研究。

ZHA Bai-lin (1974-), Male, Doctor, Professor, Research focus: rocket engine, surface modification study of materials.

曹曉恬, 查柏林, 周偉, 等. 基于SPH的超音速火焰噴涂WC-12Co粒子速度對其沉積行為的影響[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(6): 407-415.

CAO Xiao-tian, ZHA Bai-lin, ZHOU Wei, et al. Velocity of Particles on Deposition Behavior of WC-12Co Particles Sprayed by HVOF Based on SPH Method[J]. Surface Technology, 2022, 51(6): 407-415.

責任編輯：劉世忠